I. Pumpade mõiste ja ülevaade
Pump, kui erinevates valdkondades laialdaselt kasutatav mehaaniline seade, on selle põhifunktsiooniks vedelike (nagu vesi, õli jne) transportimine ühest kohast teise. Pumba ajamiga suudavad vedelikud transpordiülesandeid tõhusalt ja stabiilselt täita, täites erinevaid tootmis- ja elamisvajadusi.
Pump on mehaaniline seade, mida kasutatakse erinevate vedelike transportimiseks. Selle rakendusala on lai, hõlmates vett, õli, happe- ja leeliselahuseid, emulsioone, suspensioone, vedelaid metalle jne. Lisaks saavad käigukastiõlipumbad transportida ka vedela-gaasisegusid ja hõljuvaid tahkeid aineid sisaldavaid vedelikke.
Pumbad võib nende tööpõhimõtete alusel liigitada kolme põhikategooriasse: mahtpumbad, tiivikupumbad ja muud tüüpi pumbad. Väärib märkimist, et sukelpumpade klassifikatsioon on mitmekesisem. Lisaks tööpõhimõttele klassifitseerimisele saab neid liigitada ja nimetada ka sõiduviisi, struktuuri, eesmärgi ja transporditava vedeliku olemuse alusel.
Pumba erinevate jõudlusparameetrite vahel on keerukaid, üksteisest sõltuvaid muutusi ja neid seoseid saab intuitiivselt kuvada karakteristikukõverate kaudu. Igal pumbal on oma ainulaadne iseloomustuskõver, mis peegeldab selle konkreetseid tööomadusi. Mehaanilise seadmena vedelike transportimiseks või vedelike rõhu suurendamiseks kannab pump vedelikule üle peamootori mehaanilise energia või muu välisenergia, saavutades seeläbi vedeliku energia tõusu.
II. Pumba määratlus ja ajalooline päritolu
Pump, mehaaniline seade vedelike transportimiseks või vedelike rõhu tõstmiseks, on pärit iidsetest aegadest. Laias laastus ei kasutata pumpa mitte ainult vedelike transportimiseks, vaid sisaldab ka teatud mehaanilisi seadmeid, mis on spetsiaalselt loodud gaaside transportimiseks. Kandes vedelikule peamootori mehaanilist energiat või muude allikate energiat, saavutab pump vedeliku energia tõusu.
Kasvav nõudlus inimeste poolt vee tõstmise järele tõi kaasa erinevate veetõsteseadmete tekkimise. Näiteks Egiptuses leiutati kettpump umbes 1700 eKr, samal ajal kui Hiinas olid iidsed veetõstevahendid, nagu hoovad, tuuleklaasid ja vesirattad. Vana-Kreekas leiutas Archimedes kruvivarda 3. sajandil eKr, pannes aluse hilisemale pumbatehnoloogiale.
Aja jooksul leiutas Vana-Kreeka käsitööline Ktesibius umbes aastal 200 eKr algelise kolbpumba - tulekustutuspumba -. Seejärel, 1588. aastal, oli 4-labalise libiseva labaga pumba kohta kirje, mis tähistas pöörleva pumba esialgset arengut. 1689. aastaks uuendas ja leiutas prantslane D. Papan 4-labaliste tiivikutega tsentrifugaalpumba.
18. sajandil ilmusid Ameerika Ühendriikides järjestikku radiaalsete sirgete labadega tsentrifugaalpumbad, pool-avatud topelt-imerattad ja keerdrullid, aga ka otse auruga käitatavad kolbpumbad. Need uuendused aitasid kaasa kaasaegse pumbatehnoloogia kujunemisele ja arendamisele.
Tehnoloogia pideva arengu käigus leiutas HR Worsington Ameerika Ühendriikidest aastatel 1840–1850 otse-auruga kolbpumba, mille pumbasilinder ja aurusilinder olid üksteise vastas, pannes aluse kaasaegsete kolbpumpade täiustamisele. Aastatel 1851–1875 võimaldas mitmeastmeliste tsentrifugaalpumpade sünd-kõrgete-tsentrifugaalpumpade väljatöötamist.
Sellest ajast peale on pidevalt esile kerkinud mitmesuguseid uut tüüpi pumpasid, mille tõhusus on järk-järgult paranenud, samuti on jõudlus- ja kasutusvaldkonnad muutunud järjest laiemaks.
III. Pumpade klassifikatsioon
Pumbad, mida laialdaselt kasutatakse erinevates valdkondades, on väga erinevat tüüpi ja liigitatakse mitmel viisil. Nende tööpõhimõtete järgi võib pumbad jagada kolme kategooriasse:
Esiteks on mahtpump, tuntud ka kui tiivikupump või labapump. Seda tüüpi pumbad kasutavad vedelikule jõu rakendamiseks pöörlevat tiivikut, edastades vedelikule pidevalt energiat ning suurendades selle kineetilist energiat ja rõhku. Seejärel muudetakse kineetiline energia tühjenduskambri kaudu rõhuenergiaks. Positiivsete veeväljasurvepumpade hulka kuuluvad muu hulgas tsentrifugaalpumbad, aksiaalvoolupumbad, osavoolupumbad ja keerispumbad.
Järgmine tüüp on mahupump. Seda tüüpi pump edastab energiat, muutes perioodiliselt suletud tööruumi mahtu, suurendades seeläbi vedeliku rõhku ja sundides seda tühjendama. Tööelementide liikumisvormi alusel saab mahupumbad edasi liigitada kolbpumpadeks ja pöördpumpadeks.
Lisaks on ka teist tüüpi pumpasid, mis edastavad energiat ainulaadsel viisil. Näiteks reaktiivpumbad toetuvad transporditava vedeliku sissetõmbamiseks ja segamiseks töövedeliku suurel-kiirusel, saavutades energiaülekande impulsivahetuse kaudu; membraanpumbad ja veehaamerpumbad kasutavad pidurdamisel energia ülekandmiseks veehaamri efekti; samas kui elektromagnetpumbad saavutavad vedeliku transpordi läbi vedela metalli voolu elektrivoolu ja elektromagnetilise jõu mõjul.
Lisaks saab pumpasid klassifitseerida transporditava vedeliku omaduste, juhtimisviisi, struktuuri ja eesmärgi alusel.
IV. Pumpade rakendused erinevates valdkondades
Pumpade jõudlusvahemik on lai, ulatudes hiiglaslikest pumpadest, mille voolukiirus on mitusada tuhat kuupmeetrit tunnis, kuni minipumpadeni, mille voolukiirus on alla mitme detsiliitri tunnis; nende rõhuvahemik võib samuti varieeruda normaalrõhust kuni 19,61 Mpa (200 kgf/cm2) või üle selle. Lisaks erinevad ka transporditava vedeliku temperatuur ja tüüp, näiteks vesi (selge vesi, kanalisatsioon jne), õli, happed ja alused, suspensioonid ja vedelad metallid jne.
Keemia- ja naftasektori tootmises on pumpadel ülioluline roll. Kuna toorained, pooltooted ja valmistooted on enamasti vedelikud, siis nendes keerulistes protsessides ei transpordi pumbad mitte ainult vedelikke, vaid tagavad ka keemiliste reaktsioonide jaoks vajaliku rõhu ja voolu. Samal ajal kasutatakse neid ka paljudes seadmetes temperatuuri reguleerimiseks.
Põllumajandustootmises on pumbad peamised niisutus- ja drenaažimasinad. Meie riigi maapiirkonnad on suured ja põllumajandusliku tootmise toetamiseks on igal aastal vaja palju pumpasid. Üldiselt annavad põllumajanduspumbad poole pumpade kogutoodangust.
Kaevandus- ja metallurgiatööstus on samuti pumpade olulised rakendusvaldkonnad. Nendes tööstusharudes vajavad sellised protsessid nagu kaevanduste äravool, mineraalide töötlemine, sulatamine ja valtsimine pumpade tuge.
Energeetikasektoris, olgu selleks tuuma- või soojuselektrijaam, mängivad pumbad üliolulist rolli. Tuumaelektrijaamad vajavad tuumareaktsioonide stabiilse toimimise tagamiseks pea-, sekundaar- ja tertsiaarpumpasid; samas kui soojuselektrijaamad toetuvad elektrijaama normaalse töö tagamiseks suurele hulgale katelde toitepumpadele, kondensaadipumpadele, tsirkulatsioonipumpadele ning räbu- ja tuhapumpadele.
Ka kaitseehitus ei saa hakkama ilma pumpadeta. Lennuki klappide, tüüride ja teliku reguleerimine, sõjalaevade ja tankitornide pöörlemine, aga ka allveelaevade uputamine ja tõus – kõik need nõuavad pumpasid, et tagada vajalik võimsus ja reguleerimisfunktsioonid. Veelgi enam, teatud kõrgrõhu ja radioaktiivsete vedelike puhul transportimise ja käsitsemise ajal on pumba lekkevaba -töötamise nõue äärmiselt kõrge.
Laevaehitustööstuses kasutatakse igal{0}}okeanilaeval sadu erinevat tüüpi pumpasid. Alates laeva juhtivatest propellerpumpadest kuni erinevate pumpadeni, mis hoiavad keskkonda laeva kajutites, on need kõik asendamatud. Veelgi enam, linnade veevarustus- ja drenaažisüsteemid, auruvedurite kasutatav vesi, tööpinkide määrimine ja jahutamine, värvainete transport tekstiilitööstuses ning piima- ja suhkrutoodete transport toiduainetööstuses sõltuvad kõik pumpade toel.
Kokkuvõtteks võib öelda, et pumbad on kõikjal levinud erinevates valdkondades, sealhulgas lennunduses, sõjavarustuses, tööstuslikus tootmises ja igapäevaelus, ning neil on asendamatu roll. Seetõttu liigitatakse pumbad üldmasinate hulka ning neist on saanud asendamatu ja oluline toode masinatööstuses.
V. Pumpade põhiparameetrid
Pumbad kui üldmasinate oluline komponent, nende jõudlus mõjutab otseselt töö efektiivsust erinevates rakendusstsenaariumides. Pumpade jõudluse täielikuks mõistmiseks peame kõigepealt keskenduma mitmele põhiparameetrile. Need parameetrid ei kajasta mitte ainult pumpade loomupäraseid omadusi, vaid annavad ka olulise juhise nende valikul ja rakendamisel.
1. Voolukiirus Q
Voolukiirus on oluline näitaja mõõtmaks, kui palju vedelikku pump suudab ajaühikus edasi anda, tavaliselt väljendatuna mahu või massina. Mahuvoolukiirust tähistatakse Q-ga ja selle ühikute hulka kuuluvad m3/s, m3/h ja l/s jne. Massivoolukiirust tähistab Qm ja selle ühikud on t/h, kg/s jne. Nende kahe seose saab määrata valemiga Qm=ρQ, kus ρ tähistab vedeliku tihedust. Normaaltemperatuuril vee puhul on selle tihedus ρ ligikaudu 1000 kg/m3.
2. Pea H
Kõrgus viitab energia suurenemisele vedeliku massiühikus pärast selle pumpamist pumba poolt pumba sisselaskeavast (st pumba sisselaskeäärikust) väljalaskeava (st pumba väljalaskeääriku) juurde. See on samaväärne efektiivse energiaga, mille saab üks njuuton vedelikku pumba läbimisel. Selle ühik on N·m/N, mida tavaliselt tuntakse ka meetritena. See tähistab vedelikusamba kõrgust, mida pump pumpab, ja seetõttu nimetatakse seda ka lihtsalt meetriteks.
3. Pöörlemiskiirus n
Kiirus viitab pumba võlli pöörete arvule ajaühikus, mida tavaliselt tähistatakse sümboliga n, ja selle ühikuks on pööret minutis (r/min).
4. Imemispea marginaal
Imemiskõrguse varu, tuntud ka kui positiivne netoimemispea, on kavitatsiooni jõudluse mõõtmise põhiparameeter. Hiinas tähistas seda parameetrit varem Δh.
5. Võimsus ja tõhusus
Pumba võimsust nimetatakse tavaliselt sisendvõimsuseks, mis on jõumasinalt pumba võllile üle kantud võimsus ja mida tuntakse ka kui võlli võimsust, mida tähistatakse tähega P. Pumba efektiivvõimsust ehk väljundvõimsust tähistab Pe ja see mõõdab efektiivset energiat, mis saadakse pumbast väljutatava vedelikuga ajaühiku jooksul.
Väärib märkimist, et pea esindab täpselt seda tõhusat energiat. Täpsemalt, pea viitab efektiivsele energiale, mille ühik rasket vedelikku saab, kui see pumbast välja pumbatakse. Seega, korrutades tõstekõrguse, massivoolukiiruse ja gravitatsioonikiirenduse, saame arvutada efektiivse energia, mille pumbast väljuva vedeliku ühik teatud aja jooksul omandab, mis on pumba efektiivne võimsus:
Pe=ρgQH (W)=QH (W)
Nende hulgas tähistab ρ pumba poolt pumbatava vedeliku tihedust (kg/m³), pumba poolt pumbatava vedeliku erikaalu (N/m³), Q on pumba voolukiirus (m³/s), H on pumba kõrgus (m) ja g on raskuskiirendus (m/s²).
Võlli võimsuse P ja efektiivse võimsuse Pe erinevus näitab pumba võimsuskadu. Selle kadu kvantifitseerimiseks tutvustame pumba efektiivsuse kontseptsiooni, mida väljendatakse efektiivse võimsuse ja võlli võimsuse suhtena ja mida tähistatakse η-ga.
VI. Liikluse määratlus ja teisendamine
Voolukiirus, mis on pumba poolt ajaühikus väljastatud vedeliku maht, on tähistatud tähega Q. Selle ühikud hõlmavad kuupmeetrit tunnis (m3/h), liitrit sekundis (l/s) jne. Väärib märkimist, et 1 liiter sekundis võrdub 3,6 kuupmeetriga tunnis, mis on samuti võrdne 0,06 kuupmeetriga minutis või 60 kuupmeetrit minutis. Lisaks saame arvutada tunnis pumbatava massi, kasutades voolukiirust ja vedeliku erikaalu, mida tähistatakse G-ga, kus ρ tähistab vedeliku erikaalu. Näiteks kui teatud pumba vooluhulk on 50 kuupmeetrit tunnis, siis tahame vee pumpamisel teada, kui palju raskust saab tunnis pumbata? Eeldades, et vee erikaal ρ on 1000 kilogrammi kuupmeetri kohta, saame arvutada valemi G=Qρ abil, mille tulemuseks on 50 000 kilogrammi tunnis ehk 50 tonni tunnis.
VII. Pea määratlus ja teisendamine
Kõrgus, mis on pumpa läbiva vedeliku massiühiku energia kogus, on tähistatud tähega H ja seda mõõdetakse meetrites (m). See sisaldab imemispead ja on ligikaudu võrdne rõhu erinevusega pumba väljalaskeava ja sisselaskeava vahel. Samal ajal tähistab pumba rõhku P ja seda mõõdetakse Mpa-des (megapaskalites). Väärib märkimist, et pea ja rõhu vahel on teatud konversioonisuhe. Spetsiifiline valem on H=P/ρ, kus ρ on vedeliku erikaal. Näiteks kui P on 1 kg/cm², saame valemi abil arvutada, et H on ligikaudu 10 meetrit.
1 MPa võrdub 10 kg/cm². Kõrguse H saab arvutada valemiga H=(P2 - P1) / ρ, kus P2 tähistab väljundrõhku, P1 on sisselaskerõhk ja ρ on vedeliku erikaal.
Järgmisena käsitleme kavitatsioonivaru ja imemiskõrguse mõisteid ning nende mõõtühikuid. Kavitatsioon viitab nähtusele, kus pumba töötamise ajal tekitab tiiviku sisselaskeavas olev vedelik vaakumrõhu mõjul auru. Need aurustunud mullid põhjustavad kokkupõrkel vedelate osakestega metallpindade (nt tiiviku) erosiooni, kahjustades seeläbi neid metallkomponente. Seda vaakumrõhku nimetatakse aurustumisrõhuks. Kavitatsioonivaru seevastu viitab energiale, mis pumba imi sisselaskeava juures oleva vedeliku massiühikul on suurem kui aurustumise rõhk. Seda mõõdetakse meetrites ja seda tähistatakse tavaliselt NPSHr-ga.
Imemiskõrgus, tuntud ka kui vajalik kavitatsioonivaru Δh, on vaakumi aste, mille juures pump suudab vedelikku sisse imeda. See on pumba lubatud paigalduskõrgus ja selle mõõt on samuti meetrid. Imemiskõrguse arvutamise valem on: Imemiskõrgus=Standardne atmosfäärirõhk - Kavitatsioonivaru - Ohutusvaru. Nende hulgas on standardse atmosfäärirõhu tekitatud torujuhtme vaakumkõrgus 10,33 meetrit ja ohutusvaru on tavaliselt 0,5 meetrit.
Näiteks teatud pumba puhul on selle vajalik imemiskõrgus 4,0 meetrit. Selle imemiskõrguse Δh arvutamiseks saame kasutada ülaltoodud valemit. Arvutuse tulemus on: Δh=10.33 - 4.0 - 0.5=5.83 meetrit.
VIII. Pumba kavitatsiooni nähtus ja selle põhjused
1. Kavitatsiooni definitsioon
Kui vedelik saavutab teatud temperatuuri, langeb selle rõhk sellele temperatuurile vastava aurustumisrõhuni. Sel hetkel tekivad vedeliku sees mullid. Seda nähtust nimetatakse kavitatsiooniks.
2. Kavitatsiooni kokkuvarisemine
Kavitatsiooniprotsessi käigus tekkivad mullid, kui vedelik voolab kõrgrõhualale,{0}}kahanevad järsu rõhu suurenemise tõttu kiiresti ja lõpuks lõhkevad vedelikus. Seda nähtust nimetatakse kavitatsiooni kollapsiks.
3. Kavitatsiooni põhjused ja ohud
Kui pumba töötamise ajal tekib voolukanali teatud piirkondades (nt veidi tiiviku labade sisselaskeava taga asuv asend) konkreetne põhjus, mille tõttu pumbatava vedeliku absoluutrõhk langeb sellel temperatuuril alla aurustumisrõhu, hakkab vedelik selles punktis aurustuma, moodustades suure hulga mulle. Kui neid mullikesi sisaldav vedelik siseneb tiiviku kõrgrõhualasse, tõmbuvad mullid kõrgsurvevedeliku mõjul kiiresti kokku ja lõpuks lõhkevad. See protsess on eriti ilmne sukelpumpade puhul. Mullide kondenseerumise ja purunemisega kaasneb tühimike kiire täitumine vedelate osakestega ülisuurtel kiirustel, mille tulemuseks on tugev veemõju. See veelöök tabab metalli pinda suure löögisagedusega, löögipinge ulatub sadade kuni tuhandete atmosfäärideni ja löögisagedus võib ulatuda isegi kümnetesse tuhandetesse kordadesse sekundis. Seinapinnad, mis on pikka aega sellistele löökidele allutatud, võivad olla tugevasti erodeerunud ja tekkida isegi perforatsioon.
4. Kavitatsiooni protsess ja tagajärjed
Pumbas on kavitatsioon keeruline protsess, mis hõlmab mullide moodustumist, arengut ja kokkuvarisemist. Kui pumba voolusektsiooni teatud piirkondades esineb spetsiifilisi tingimusi, mille tõttu vedeliku absoluutrõhk langeb allapoole aurustumisrõhku, hakkab vedelik aurustuma, moodustades suure hulga mullid. Need mullid, kui vedelik siseneb tiiviku kõrgrõhualasse, tõmbuvad{2}}kõrgsurve mõjul kiiresti kokku ja lõpuks purunevad. See protsesside jada mitte ainult ei kahjusta voolukomponente, vaid tekitab ka ebameeldivat müra ja vibratsiooni, vähendades seeläbi oluliselt pumba jõudlust. Rasketel juhtudel võib kavitatsioon isegi põhjustada pumba vedelikuvarustuse katkemise, mis mõjutab pumba normaalset tööd.
IX. Mis on pumba tunnuskõver?
Pumba tunnuskõver, tuntud ka kui jõudluskõver, kujutab sisuliselt seost tsentrifugaalpumba peamiste jõudlusparameetrite vahel. Need kõverad saadakse tegelike mõõtmiste abil ja kujutavad visuaalselt vedeliku liikumismustrit pumbas. Iseloomulikud kõverad hõlmavad voolukiiruse ja -kõrguse (Q-H), voolukiiruse ja efektiivsuse (Q-η), voolukiiruse ja võimsuse (Q-N) ning voolukiiruse ja aurustumiskõrguse (Q-NPSHr) kõveraid. Need kõverad on pumba tööseisundi mõistmiseks üliolulised, sest mis tahes voolukiiruse punkti jaoks võib kõveralt leida vastavate väärtuste komplekti tõstekõrguse, võimsuse, efektiivsuse ja aurustumiskõrguse marginaali kohta ning seda parameetrite komplekti nimetatakse tööolekuks või tööpunktiks. Eelkõige nimetatakse optimaalseks tööpunktiks tsentrifugaalpumba kõrgeima efektiivsusega tööpunkti ja see on tavaliselt ka kavandatud tööpunkt. Nende jõudlusparameetrite mõistmine on pumba normaalse töö ja{9}}energiasäästlikkuse tagamiseks ülioluline.
11. Kuidas defineeritakse pumba efektiivsust? Mis on selle valem?
Pumba kasutegur on defineeritud kui efektiivse võimsuse ja võlli võimsuse suhe, mis on tähistatud sümboliga η ja selle arvutusvalem on η=Pe/P. Siin tähistab Pe pumba efektiivset võimsust ja P tähistab pumba võlli võimsust, st võimsust, mis edastatakse peamootorilt pumba võllile. Efektiivne võimsus on pumba kõrguse, massivoolukiiruse ja gravitatsioonikiirenduse korrutis ning selle valem on Pe=ρg QH (vattides) või Pe=QH/1000 (kilovattides). Lisaks tähistab ρ pumbaga transporditava vedeliku tihedust, vedeliku erikaalu (= ρg) ja g on gravitatsioonikiirendus. Samal ajal saab massivoolukiiruse Qm saada, korrutades tiheduse ρ voolukiirusega Q, ühikutega tonni tunnis või kilogrammi sekundis.
12. Mis on pumba täieliku jõudluse katsestend?
Pumpade täieliku jõudluse katsestend on täiustatud seade, mis suudab täpselt testida pumpade erinevaid jõudlusparameetreid. See vastab riiklikele standarditele ja sellel on B-taseme täpsus, mis tagab testitulemuste täpsuse. See katsestend on varustatud täpsete instrumentidega, sealhulgas tiguülekande voolumõõturiga vooluhulga mõõtmiseks, täppismanomeetriga pea mõõtmiseks, vaakummõõturiga imemispea mõõtmiseks ja aksiaalse jõumasinaga võimsuse mõõtmiseks. Lisaks kasutatakse pumba kiiruse täpseks määramiseks ka spidomeetrit. Nende täpsete instrumentide koostöö kaudu saame hankida pumba jõudlusparameetrite täieliku komplekti, hinnates seeläbi igakülgselt selle jõudlust.
